Научная статья на тему 'Исследование процесса соэкструзии в экструзионной головке для изготовления полимерных двухслойных труб с применением ультразвуковых колебаний'

Исследование процесса соэкструзии в экструзионной головке для изготовления полимерных двухслойных труб с применением ультразвуковых колебаний Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

CC BY
256
119
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
РАСПЛАВ / ПОЛИМЕР / СОЭКСТРУЗИЯ / ДВУХСЛОЙНЫЕ ТРУБЫ / УЛЬТРАЗВУКОВЫЕ КОЛЕБАНИЯ / MELT / POLYMER / CO-EXTRUSION / TWO-LAYER PIPES / ULTRASONIC VIBRATIONS

Аннотация научной статьи по механике и машиностроению, автор научной работы — Анасова Т. А., Панов А. А., Дебердеев Р. Я., Заиков Г. Е., Панов А. К.

Рассматриваются результаты проведенных теоретических и экспериментальных исследований процесса соэкструзии в экструзионной головке для изготовления полимерных двухслойных труб с применением ультразвуковых колебаний. Представлена математическая модель для расчета расходных характеристик с учетом геометрии формующего канала и параметров ультразвуковых колебаний. Приведена разработанная конструкция экструзионной головки для изготовления полимерных двухслойных труб с применением ультразвуковых колебаний.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по механике и машиностроению , автор научной работы — Анасова Т. А., Панов А. А., Дебердеев Р. Я., Заиков Г. Е., Панов А. К.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

The results of theoretical and experimental research of co-extrusion process in extrusion head for two-layer polymeric pipes manufacturing with the use of ultrasonic vibrations are being considered. A mathematic model for calculation of flow rate characteristics according to molding channel geometry and ultrasonic vibrations parameters is being presented. A developed extrusion head structure for manufacturing of two-layer polymeric pipes with the use of ultrasonic vibrations is being presented.

Текст научной работы на тему «Исследование процесса соэкструзии в экструзионной головке для изготовления полимерных двухслойных труб с применением ультразвуковых колебаний»

УДК 532.542;532.135

Т. А. Анасова, А. А. Панов, Р. Я. Дебердеев,

Г. Е. Заиков, А. К. Панов

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА СОЭКСТРУЗИИ В ЭКСТРУЗИОННОЙ ГОЛОВКЕ

ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ПОЛИМЕРНЫХ ДВУХСЛОЙНЫХ ТРУБ

С ПРИМЕНЕНИЕМ УЛЬТРАЗВУКОВЫХ КОЛЕБАНИЙ

Ключевые слова: расплав, полимер, соэкструзия, двухслойные трубы, ультразвуковые колебания.

Рассматриваются результаты проведенных теоретических и экспериментальных исследований процесса со-экструзии в экструзионной головке для изготовления полимерных двухслойных труб с применением ультразвуковых колебаний. Представлена математическая модель для расчета расходных характеристик с учетом геометрии формующего канала и параметров ультразвуковых колебаний. Приведена разработанная конструкция экструзионной головки для изготовления полимерных двухслойных труб с применением ультразвуковых колебаний.

Keywords: melt; polymer; co-extrusion; two-layer pipes; ultrasonic vibrations.

The results of theoretical and experimental research of co-extrusion process in extrusion head for two-layer polymeric pipes manufacturing with the use of ultrasonic vibrations are being considered. A mathematic model for calculation of flow rate characteristics according to molding channel geometry and ultrasonic vibrations parameters is being presented. A developed extrusion head structure for manufacturing of two-layer polymeric pipes with the use of ultrasonic vibrations is being presented.

Разработка теоретических зависимостей расходных характеристик расплавов полимеров при соэкструзии двухслойных труб в условиях воздействия ультразвуковых колебаний

Расплавы полимеров в условиях переработки ведут себя как вязкоупругие среды и степень проявления вязкоупругих свойств зависит, в первую очередь, от геометрических параметров канала. Формующие каналы определяют зависимость эффективной вязкости от частоты ультразвуковых колебаний для расплавов полимеров, которая выражается следующим соотношением [1]:

V = * (1)

•ю 1 , 2 2

1 + ю г

где - эффективная вязкость расплава Па с; Ю -

частота ультразвуковых колебаний, Гц; г- время релаксации, характеризующие скорость спадания напряжения, с

* (2)

V

r = — Е

где Е - модуль упругости среды, Па.

По мере распространения ультразвуковых волн в среде происходит диссипация энергии, уменьшается амплитуда волны. Это явление характеризуется коэффициентом поглощения [2-8]:

р 1(1 + ю2г2) -1 (3)

а = Ю(Е)\ 2(1 +ю2г2)

для случая, когда вязкие силы преобладают, ют > 1, т.е. в случае установившегося изотермического течения имеем

а =

ор

2V

(4)

Величина коэффициента поглощения определяет глубину проникновения ультразвуковых волн в расплав полимера

S= -

а

(5)

Как отмечалось ранее в работах авторов [2-5], глубина проникновения ультразвука существенно меньше поперечных размеров канала.

Следовательно, будем рассматривать воздействие ультразвуковых колебаний только на некоторую часть полимерной массы, которая находится в близости от стенки канала (см. рис.1) При этом, зона без воздействия ультразвука Я2-Я3, зона подверженная воздействию ультразвука Я^-Я^

Согласно предлагаемой модели течения, расход расплава полимера при течении в каналах сложного профиля определяется суммой двух расходов: расхода р1 в канале сечения (Я1 - 5), где не наблюдается влияние ультразвуковых колебаний и расхода р2 в канале сложного сечения толщиной 5, которое повторяет форму канала и испытывает воздействие ультразвука. В первом случае масса полимера характеризуется эффективной вязкостью пэф, во втором - пониженной вязкостью Пю.

Рис. 1 - Схема двухслойного течения расплавов полимеров в коаксиальной формующей втулке

2

Q = Qi + Q2

= _ Q2 -_; ;

; Jo чЭф ; J;

TbSd

- JT' la

q --_ S )f;l8) -+;

; 8 la

; (6) (7)

‘'0 [ 1эф

где а и Ь - коэффициенты формы сечения каналов.

В качестве исходного реологического уравнения состояния приняты выражения: для внутреннего слоя:

2

(Ц =% +а{с (8)

длявнешнего слоя:

^2 =Фй+сг{гг

где (р0 (р’{) - наименьшая текучесть расплава полимера внутреннего и внешнего слоев; осх - постоян-

ный коэффициент, определяемый из экспериментальных данных.

Учитывая, что ; - др “г

2

уравнения состояния примут вид:

реологические

АР Л2 2 i ,( АР

V1 -Vo + «| — I Rг V2 - V0 + «il ■—

R г2(9)

Подставляя зависимости (9) и (l) в уравнение (7) будем иметь (10):

-(Vo

R8 , ,

-7—r—1 V0 +—«;

(r _8)4 Г0 2 1

Однако, как показывают расчеты и проведенные исследования, эта формула носит общий характер и может быть использована для сложных каналов, при использовании которых ультразвуковые колебания проникают по всей длине периметра канала.

Этот фактор зависит от того, каким образом монтируется магнитострикционный излучатель в формующем инструменте. Так, например, в разработанной нами конструкции предлагается использовать пакетный излучатель, снаружи канала, поэтому ультразвуковые колебания будут воздействовать лишь на ту часть полимерной массы, которая контактирует со стенкой дорна (рис. 1).

В связи с этим, нами предлагается в уравнение (10) ввести некоторые коэффициенты К1 и К2, уменьшающие или увеличивающие значения р1 и Р2 в зависимостиот того, на какую часть периметра канала проникает ультразвук. Получить эти коэффициенты достаточно просто.

К = П ,

1 П

гдеП - общий периметр канала; П1 - периметр на котором наблюдается воздействие ультразвука.

Повышающий коэффициент расхода равен

К2=2-К1

Тогда, с учетом предлагаемых коэффициентов выражение (10) примет вид (11):

^ - 1 - 6 _к((-в) (к.((.-в) I 2

Для предлагаемойнами конструкций экстру-зионнойголовки понижающие и повышающие коэффициенты равны соответственно :

K1 =0.75; K2=1.25.

Как показывают расчеты по полученным формулам, при выборе формы сечения каналааку-стических экструзионных головок следует отдавать предпочтения тем, у которых ультразвук оказывает воздействие по всему периметру канала для достижения максимального эффекта воздействия. Предпочтительнее использовать симметричные каналы с плавным срезом углов. Наиболее эффективными в этом плане будут считаться многоручьевые головки. Все выводы были учтены при проектировании конструкции экструзионной головки, работающей в условиях ультразвукового воздействия, конструкция которой приведена в настоящей работе.

Опытно-промышленные испытания экструзионной головки для изготовления полимерных двухслойных труб с применением ультразвуковых колебаний Для проверки приемлемости предложенных теоретических методов расчета параметров при соэкструзии расплавов полимеров в коаксиальных формующих втулках (кольцевых каналах) было проведено экспериментальное изучение многослойного течения расплавов полимеров на опытнопромышленной установке (рис. 2). Она состоит из двух экструдеров: для внутреннего и внешнего слоев. Для внешнего слоя использовался экструдер марки АТЛ-45 с червяком диаметром 45мм и длиной 1125мм, а для среднего слоя - экструдер ЧП-40 с червяком диаметром 40 мм, и длиной 640мм

Рис. 2 - Опытно-промышленный экструзионный агрегат для изготовления многослойных полимерных труб с применением ультразвука: 1 -экструдер АТЛ-45-П; 2 - экструдер ЧП-40; 3 -экструзионная головка; 4 - калибрующая насадка; 5 - охлаждающая ванна; 6 - тянущее устройство; 7 - отрезное устройство; 8 - бункер с устройством для подсушки и подогрева гранул; 9-пневмозагрузчик; 10 - электрощит; 11 - магни-тострикционный преобразователь ПСМ6-22;12 -ультразвуковой генератор УЗГ1-4

В данной работе рассматривается конструкция экструзионной головкидля изготовления полимерных двухслойных труб с применением ультразвуковых колебаний. Головка, в соответствии с рисунком 3, содержит разъемный корпус 1, в котором расположен дорнодержатель 2 с цилиндрическим участком. Между ребрами 3 дорнодержателя вы-

8

полнены отверстия 4 для прохода расплава, в которых расположены регулировочные винты 5.На входном торце дорнодержателя 2 установлен полу-шаровой элемент 6 с фрезерованными пазами 7, а навыходном конце закреплен дорн 8. На корпусе 1 установлена формующая втулка 9. Дорнсмонтиро-ван с возможностью его центрирования посредством винтов 10 и в нем выполнен канал 11 для охлаждающей среды, связанный с патрубком 12. Между дорном и втулкой образована формующая щель 13.

В корпусе 1 также смонтирован дорн 14 с образованием проточного канала 15 для подачи внешнего слоя расплава и канала 16 для подачи внутреннего слоя расплава. Каналы 15 и 16 расположены наклонно друг относительно друга и сообщены формующей щелью 13.

На наклонной поверхности формующей втулки 9 смонтированы два магнитострикционных излучателя 17 марки ПМС6-2 с возможностью подключения к источнику 18 ультразвуковых колебаний УЗГ1-4.

В магнитострикционные излучатели подается сжатый воздух для их охлаждения. Установка магнитострикционных излучателей в зоне

12 13 11 8 9 10 18

25 22

Рис. 3 - Экструзионная головка для изготовления полимерныхдвухслойных труб с применением ультразвуковых колебаний

соединения внешнего и внутреннего слоев расплава, позволяет одновременно воздействовать на оба слоя, что увеличивает пропускную способность формующего канала и улучшает качество изготавливаемых труб.

В формующей щели расплав претерпевает уменьшение проявления высокоэластичности экстру-дата, и как следствие этого уменьшается постэкстру-зионное разбухание экструдируемого изделия [10]. В канале 15 установлена решетка 19 с отверстиями 20, в которых смонтированы регулировочные винты 21. Регулировочные винты 5 и 21 выполнены с цилиндрическим рабочим участком. Корпус 1 головки соединен с экструдерами (не показаны) посредством фланцев 22 и 23. Для подачи расплавов от экструдеров предназначены каналы 24 и 25.

Экспериментальные исследования проводились на опытной установке с экструдером АТЛ-45, имеющим червяк диаметром 45 мм и длиной 1125 мм для продавливания внутреннего слоя расплава полимера и экструдера марки 4П-40 с червяком диаметром 40 мм и длиной 640 мм, для подачи внешнего слоя расплава полимера.

Получали двухслойную полимерную трубу с наружным диаметром 25мм, и внутренним диаметром 21мм. Для внутреннего слоя трубы использовался полиэтилен низкого давления марки 277-73, для внешнего слоя трубы применялся полиэтилен высокого давления марки 15802-020.

Оптимальный режим экструзии указанных полимеров при температуре 423К и создаваемом давлении экструдерами в пределах 3,5-4,5 МПа, при фиксированной частоте наложения ультразвуковых колебаний 18,5; 21,6; 22,1 и 23,5 кГц на расплав слоев расплавов, создаваемые ультразвуковым генератором марки УЗГ1-4.

На рис.4 представлены теоретические значения расходарасплавов полимеров при изготовлении двухслойных труб с учетом ультразвуковых колебаний в сопоставлении с опытными данными. Расхождение при этом составляло не больше 7%.

а

Рис. 4 - Зависимость расхода ПНД и ПВД от градиента давления при двухслойной соэкструзии трубы, при температуре 423К (а) и 443К (б): - без УЗК; • - 18.5 кГц; А - 21.6 кГц; Х - 22, 1 кГц; ■ -23,5 кГц

Таким образом предложенную теорию можно рекомендовать для расчетов экструзионных головок при изготовлении полимерных многослойных труб.

Технический результат, обеспечиваемый экструзионной головкой для изготовления полимерных двухслойных труб с применением ультразвуковых колебаний, выражается в упрощении конструкции и повышении производительности и качества получаемых изделий, благодаря выбору оптимальной геометрии поперечного сечения формующих каналов.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

Литература

1. Михайлов М.Г., Соловьев В.А., Сырников Ю.И. Молекулярная акустика. М.: Наука, 1964. 514с.

2. Панов А.А. Многоручьевые экструзионные головки и методы интенсификации процессов экструзии. Уфа: Гилем, 2008. 192 с.

3. Володин В.П. Экструзия профильных изделий из термопластов. СПб.: Профессия, 2005. 480 с.

4. Панов А.К., Дорохов И.Н., академикКафаров В.В. Закономерности процесса течения расплавов полимеров в условиях ультразвуковых колебаний // М.: Доклады Академии наук СССР, 1988. Т.303. №1. С.155-158.

5. Панов А.К. Влияние наложения ультразвука на процесс течения расплавов полимеров// Реология, процессы и аппараты химической технологии. Волгоград: Изд-во ВПИ, 1983. С.100-103.

6. Kiselyova O.F., Panov A.A., Minsker K.S., Panov A.K. and Zaikov G.E. Design and method of calculation of acoustic extruder head for manufacturing of long polymeric profile products// Leading edge research on polymers and composites, New York: Nova Science Publishers, 2004. P.71-76.

7. Абрамов О.В., Градов О.М. Стационарное акустическое течение вязкой жидкости под воздействием мощного ультразвука// Материаловедение 2007, №11. С.2-8.

8. Абрамов В.О., Булычев Н.А., Градов О.М., Кистерев

Э.В., Муллакаев М.С. Исследование особенностей ультразвукового воздействия на гетерогенные системы жид-кость-дисперсные включения газовой, жидкой и твердой фазы// Современные проблемы общей и неорганической химии. М.: 2009. С.479-483.

9. Патент РФ №2433913 Экструзионная головкадля изготовления полимерных двухслойных труб с применением ультразвуковых колебаний/ Панов А.А., Анасова Т.А., Жернаков В.С., Панов А.К.// 2011. Бюл.№32.

10. Панов А.А., Анасова Т.А., Заиков Г.У., Панов А.К. Влияние ультразвука на характеристики расплавов полимеров при экструзии// Теоретические основы общей химической технологии. 2011. Том 45. №4. С.461-467.

© Т. А. Анасова - канд. техн. наук, доц. каф. математики БГАУ; А. А. Панов - канд. техн. наук, вед. науч. сотр. Стерлита-макского филиала АН РБ; Р. Я. Дебердеев - д-р техн. наук, проф., зав. каф. технологии переработки полимеров и композиционных материалов КНИТУ, deberdeev@kstu.ru; Г. Е. Заиков - д-р хим. наук, проф., Институт биохимической физики им. Н.М.Эмануэля РАН; А. К. Панов - д-р техн. наук, проф., член-корр. АН РБ, зав. отделом ГАНУ ИПИ.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.